Некоторые признаки квантовой гравитации могут оказаться иллюзией

Физики давно надеются доказать, что гравитация подчиняется странным правилам квантовой механики, однако новое исследование показывает, что некоторые очевидные доказательства могут вводить в заблуждение. Credit: Shutterstock

Две невероятно успешные теории объясняют почти всё, что мы наблюдаем во Вселенной — от крошечных атомов и молекул до планет, звёзд и галактик. Квантовая механика описывает поведение материи в очень малых масштабах, а теория гравитации Эйнштейна объясняет, как движутся звёзды и чёрные дыры и как расширяется Вселенная.

Несмотря на огромные успехи, эти две теории до сих пор не стыкуются друг с другом. Физики десятилетиями ищут теорию «квантовой гравитации», которая объединила бы их в единое непротиворечивое описание природы.

Проблема квантовой гравитации

Ключевое ожидание состоит в том, что сама гравитация в конечном счёте должна подчиняться правилам квантовой механики. Эту возможность быстро становится трудно представить наглядно.

Квантовая механика позволяет объекту находиться в нескольких местах одновременно — эффект, многократно продемонстрированный на атомах и даже небольших кусочках металла. Теория Эйнштейна, в свою очередь, рассматривает гравитацию как свойство самого пространства-времени: оно может искривляться, уплощаться и поддерживать волны, распространяющиеся через него, что подтвердили детекторы гравитационных волн.

Из-за этого многие физики предполагали, что пространство-время вокруг квантового объекта также может находиться в нескольких «состояниях» одновременно.

Но как это выглядело бы в реальном эксперименте?

Исследователи из Университета Кюсю, Университета Ватерлоо и Стокгольмского университета, возможно, теперь частично ответили на этот вопрос. Их результаты опубликованы в журнале npj Quantum Information.

Когда квантовая гравитация выглядит классической

Исследователи разработали теоретическую основу, показывающую, что многие ситуации, описываемые как «квантовая суперпозиция гравитации», можно интерпретировать совершенно иначе.

В этих случаях квантовые частицы могут оставаться в суперпозициях, двигаясь через обычную гравитацию и пространство-время. При таком описании подлинно квантовое поведение гравитации не требуется.

«Многие исследователи предлагали эксперименты, которые потенциально могли бы раскрыть квантовую природу гравитации, — объясняет доцент Джошуа Фу из Института перспективных исследований Университета Кюсю, ведущий автор исследования. — Мы обнаружили, что некоторые из этих сценариев можно рассматривать с двух одинаково справедливых точек зрения. Одна интерпретация описывает гравитацию как находящуюся в квантовой суперпозиции, а другая — квантовые частицы, движущиеся в обычном гравитационном поле».

Команда называет эту идею «относительностью суперпозиций пространства-времени».

Один из способов представить это — подумать о двух картах, показывающих один и тот же ландшафт с использованием разных проекций. Карты могут выглядеть по-разному, но обе описывают одну и ту же местность. Аналогичным образом исследователи обнаружили, что некоторые ситуации, которые выглядят как квантовая гравитация, могут быть выражены с помощью классической гравитации и пространства-времени, если движение каждой частицы представлено соответствующим квантовым состоянием.

Ключевая неоднозначность в экспериментах по квантовой гравитации

Результаты не показывают, что гравитация классическая, и не исключают квантовую гравитацию.

Вместо этого они вскрывают важную неоднозначность в интерпретации экспериментов, предназначенных для проверки квантовых свойств гравитации. Наблюдение, которое, как кажется, раскрывает квантовую гравитацию, в некоторых случаях может быть объяснено и без требования, чтобы сама гравитация вела себя квантово-механически.

«Наша работа не говорит нам, что такие эксперименты исключают квантовую гравитацию, — говорит Магдалена Зых из Стокгольмского университета, соавтор статьи. — Скорее, она помогает нам определить, какие экспериментальные сигнатуры действительно потребуют квантового описания гравитации, а какие могут возникать из более привычной физики. Это различие имеет решающее значение для разработки будущих экспериментов».

В поисках истинной сигнатуры квантовой гравитации

Хотя работа касается одних из самых фундаментальных вопросов физики, исследования основных законов природы исторически приносили огромную практическую пользу.

GPS-навигация, лазеры и современная электроника — всё это возникло из достижений, основанных на теоретической квантовой физике и теории гравитации Эйнштейна.

Более непосредственное влияние новой концепции заключается в том, что она даёт физикам более чёткую дорожную карту для будущих экспериментов. Показывая, какие наблюдения могут действительно отличить классическое описание гравитации от квантового, исследование помогает сузить поиски убедительных доказательств квантовой гравитации.

«Понимание того, как гравитация и квантовая механика сочетаются друг с другом, — одна из величайших задач физики, — заключает Фу. — Прежде чем мы сможем проверить квантовую природу гравитации, нам сначала нужно знать, какие доказательства подтвердят, что мы её нашли. Наша работа помогает прояснить этот вопрос».

Источники:

Материалы предоставлены Университетом Кюсю.

Joshua Foo, Cendikiawan Suryaatmadja, Robert B. Mann, Magdalena Zych. Relativity and decoherence of spacetime superpositions. npj Quantum Information, 2026; 12 (1) DOI: 10.1038/s41534-026-01234-x